CN209605847U - 基于甘油填充的保偏光子晶体光纤双参量传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于甘油填充的保偏光子晶体光纤双参量传感器。本实用新型属于通信用光纤器件领域，特别涉及光纤传感领域。传感器示意图如摘要附图，光子晶体光纤3的两端分别熔接普通单模光纤1和5，形成干涉结构。其中2和4为光子晶体光纤空气孔。经过上述设置，通过对传感器施加不同应力及温度，观察干涉谱变化，得到传感器性能及外界参数变化。光子晶体光纤空气孔可以填充甘油液体，明显提高传感器性能。同时，双参量传感能克服交叉敏感的问题，在建筑桥梁中能及时发现事故原因，避免事故进一步恶化。

Description

基于甘油填充的保偏光子晶体光纤双参量传感器

技术领域

本发明属于通信用光纤器件领域，特别涉及光纤传感领域。

背景技术

光纤传感器是以光纤为基础制作而成的新型传感器，其基本原理是光源发出的光经过光纤传输进入敏感区，在敏感区内部外界待测参数和进入的光信号相互作用，使光的表征参数(波长、强度、偏振态、频率、相位等)发生变化，成为被调制的光信号，然后调制光信号通过光纤传输到光电探测器，实现光电转换，最后电信号经过信号处理单元实现待测参数的解调获得待测参数。由于光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高等优点，因此其具有广阔的应用前景，近年来一直是国内外研究的热点。

随着光子晶体光纤制作工艺日趋成熟，光子晶体光纤在传感领域的应用也越来越广泛，光子晶体光纤作为传感元件具有普通光纤无法比拟的优越特性，受到了各国研究人员的重视，其应用前景良好。利用光子晶体光纤特殊的结构和导光机理，各种新型的光子晶体光纤不断被提出。光子晶体光纤由于其高双折射、光子带隙等独特的性能表现，给光纤传感技术开辟了一条崭新的道路。恰当的利用光子晶体光纤的优点，可以研制出各种不同结构的新型微结构光纤传感器，将其应用于温度、应变、位移、折射率等参数的测量中。与Shin,W等人提出的[Highly Sensitive Strain and Bending Sensor Based on a FiberMach-Zehnder Interferometer in Photonic Crystal Fiber]光子晶体传感器相比，本发明在空气孔中填充了甘油液体，当外界环境发生变化时，液体的折射率等特性会发生变化，从而改变了光在纤芯中传输的特性，通过分析光谱可以实现液体的测量，填充不同性质的液体，是一种非常有效的传感方案。与Shaoling He等人提出的[High-sensitivetemperature sensor based on alcohol-filled highly birefringent photoniccrystal fiber loop mirror]相比，本发明能同时测量应力及温度传感特性，并克服交叉敏感问题；与Yuyan Zhang等人提出的[SIMULTANEOUS MEASURING OF MAGNETIC FIELD ANDTEMPERATURE BASED ON PHOTONIC CRYSTAL FIBER LOOP FILLED WITH MAGNETIC FLUID]相比，本发明结构简单，优化器件尺寸，同时填充液体方法易于操作。

发明内容

本文提出了一种基于甘油填充的保偏光子晶体光纤双参量传感器，并进行了实验验证。

本发明基本原理：光纤模式干涉仪是一种具有优良性能的全光纤干涉器件，广泛应用于光纤传感、光纤通信等领域。该类型干涉仪需要特殊结构实现模式的分束和合束，以实现纤芯模在纤芯中传输，包层模在在包层传输。由于纤芯模和包层模的传输路径不同，导致了纤芯模和包层模产生相位差，从而形成干涉条纹。干涉仪放入待测环境后，外界环境变化对纤芯模和包层模的影响不同，从而使两路光相位差发生改变，导致干涉条纹的漂移。通过测量干涉条纹的漂移量，可以实现对外界环境参量变化的测量。

在两段普通单模光纤之间熔接一段光子晶体光纤(PCF)即可形成干涉型光纤传感器。在熔接点，PCF端头空气孔塌陷，形成塌陷区(Collapsed Region，CR)，由于塌陷区没有包层，不再满足单模传输条件，所以能造成模式扰动。当传输光从输入端SMF进入后，在不受外界干扰的情况下，由于单模传输条件限制，在纤芯中只有纤芯基模可以传输，在SMF与PCF的第一个熔接点塌陷区(CR1)，纤芯基模的部分能量会被耦合进PCF包层内，从而激发出包层膜。由于光纤包层外都覆有涂覆层，所以通常包层膜的损耗很高，只能传输若干厘米。若将光纤涂覆层去掉，则包层膜可以在光纤包层中以较低的损耗传输较长的距离。包层膜经过一段PCF达到第二个熔接点塌陷区(CR2)时，会有部分包层膜进入输入SMF的纤芯内，与一直在纤芯中传输的光形成干涉。最终在光谱仪中观察到基模与包层模形成的干涉谱。干涉条纹随着监测参数的变化而变化，然后引起波长的变化，因此可以通过监测波长漂移量来监测外界参数。

本发明具体物理实现方式：传感器由两段普通单模光纤(SMF)之间熔接一段光子晶体光纤(PCF)构成。传感装置的两端分别连接到宽带光源(KOHERAS，SuperK Uersa)，光源输出波长范围为600nm到1800nm的超连续光，及光谱分析仪(OSA，YOKOGAWA AQ6375)。由宽带光源发出的光输入进单模光纤以基模形式传输，经过第一个熔接点进入光子晶体光纤，再经过第二个熔接点通过单模光纤进入光谱仪观察干涉谱。由于PCF直径与标准单模光纤直径有一定的差异，只能用光纤熔接机手动模式来调节对齐PCF与单模光纤，并保持合适间距，最后再进行熔接。为了获得稳定和高消光比的干涉光谱，我们优化了SMF和PCF之间的纤芯偏移、两光纤间距、对齐中心、熔接电流、熔接时间等参数，最终得到传感器。

经过上述设置，通过对传感器施加不同应力及温度，观察干涉谱变化，得到传感器性能及外界参数变化。

本发明具体有益效果：本发明提出的基于甘油填充的保偏光子晶体光纤双参量传感器具有长距离监控、低能源依赖性、高环境耐受性、抗电磁干扰、抗腐蚀、偏振态保持等优点。与先前类似结构传感器相比，结构简单、尺寸较小、灵敏度较高，此外，光子晶体光纤空气孔可以填充液体，明显提高传感器性能。同时，双参量传感能克服交叉敏感的问题，在建筑桥梁中能及时发现事故原因，避免事故进一步恶化。

附图说明

图1基于保偏光子晶体光纤传感器示意图

图2基于保偏光子晶体光纤应力传感实验装置示意图

图3基于保偏光子晶体光纤温度传感实验装置示意图

具体实施方式

基于保偏光子晶体光纤传感器如图1所示。光子晶体光纤3的两端分别熔接普通单模光纤1和5，形成干涉结构。其中2和4为光子晶体光纤空气孔，可以填充液体，提高传感器性能。

实施例一：光子晶体光纤轴向应力传感实验装置如图2所示。输入单模光纤2连接宽带光源1，输出单模光纤5连接光谱仪6。将光子晶体光纤3固定于应力调节架4的光纤夹具中并使光子晶体光纤自然拉直，记录为0με状态，其中光子晶体光纤位于两个光纤夹具正中间位置。应力调节架由固定部分和可移动部分构成，微位移平台的最小位移量为0.01mm，移动部分可以通过调节旋钮实现X-Y-Z三个轴向的移动。首先调节纵向和横向旋钮，使移动部分与固定部分处于同一高度、同一角度，再调节轴向旋钮，可以模拟实现施加在光纤上的轴向应力变化。

本实验中固定平台，位移平台每次调谐的位移为0.01mm，对应的应力变化间隔为200με，应力变化最大加到2000με，应力变化的最大值与光纤的机械强度有关，太大容易引起光纤熔接处断裂。控制室温条件固定为25，℃每次调节旋钮后，等待干涉谱稳定后进行记录。实验可得，随轴向应力的增加波谷向短波长漂移，即光谱发生蓝移，这与之前报道的光子晶体光纤传感器结论相吻合。这是由于当给PCF施加一个轴向应力时，会导致干涉长度增加，模式间有效折射率差减小，但干涉长度增加的速度远远小于弹光效应使模式有效折射率差减小的速度，故干涉谱向短波长方向移动。

实施例二：光子晶体光纤温度传感实验装置如图3所示。输入单模光纤2连接宽带光源1，输出单模光纤5连接光谱仪6，将光子晶体光纤3固定于玻璃板上，玻璃板可以保证与光纤具有相近的热光系数，并防止传感部分、熔接处扭曲及拉伸，再将玻璃板放于温控箱4(Weiss WTI-180/40)中，并固定牢靠以免当升降温度时玻璃板发生抖动。温控箱的最小分辨率为0.1℃，通过控制温度，研究其温度传感特性。

本实验中，温控箱温度从室温25℃升至45，℃每次提升5，℃当温度升到至待测温度时，待干涉谱稳定后进行测量。实验可得，在温度升高过程中，波谷干涉谱向短波长发生漂移，即波长发生蓝移。

实施例三：本实验中，我们将折射率为1.4730的甘油溶液填充进上述光子晶体光纤空气孔中。首先将甘油溶液取出少许，放在玻璃容器中，将光子晶体光纤涂覆层整体去除后，一端放入甘油容器中，另一端置于空气。由于毛细现象，甘油溶液会吸入光子晶体光纤空气孔，待完全稳定后，放入显微镜下观察，确认甘油已进入光纤。其次将光子晶体光纤两端分别与单模光纤熔接，形成填充液体的传感器。最后进行应变与温度传感实验，方法如上文所述。实验可得，与未填充液体时相比，传感器应力、温度灵敏度均显著提高。

Claims (1)

1.一种基于甘油填充的保偏光子晶体光纤双参量传感器，其特征在于：在两段普通单模光纤(1、5)之间熔接一段保偏光子晶体光纤(3)形成干涉型双参量光纤传感器；保偏光子晶体光纤(3)直径小于普通单模光纤，属于细芯光纤；保偏光子晶体光纤(3)空气孔(2、4)中填充甘油溶液。